EP2795491A1 - Procede et dispositif d'estimation d'une epaisseur d'un revetement de barriere thermique en ceramique. - Google Patents

Procede et dispositif d'estimation d'une epaisseur d'un revetement de barriere thermique en ceramique.

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Publication number
EP2795491A1
EP2795491A1 EP12816769.9A EP12816769A EP2795491A1 EP 2795491 A1 EP2795491 A1 EP 2795491A1 EP 12816769 A EP12816769 A EP 12816769A EP 2795491 A1 EP2795491 A1 EP 2795491A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
target
mesh
thickness
hot
coating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP12816769.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marie-Ange BOHEAS
Sarah Hamadi
André MALIE
Annie Pasquet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA Services SA
SNECMA SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SNECMA Services SA, SNECMA SAS filed Critical SNECMA Services SA
Publication of EP2795491A1 publication Critical patent/EP2795491A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations

Definitions

  • the invention belongs to the general field of deposits of ceramic thermal barrier coatings on hot parts of gas turbines, such as for example turbojets.
  • It relates more particularly to the estimation of a ceramic thermal barrier coating thickness to be deposited by physical vapor deposition on a hot part of a gas turbine, such as a distributor blade or an impeller. a high pressure turbine.
  • the invention thus has a preferred but nonlimiting application in the field of aeronautics.
  • a thermal barrier formed of an outer layer of ceramic, to lower its temperature.
  • a ceramic commonly used for this purpose is zirconia ZrO 2 possibly stabilized with yttrium.
  • Such a ceramic thermal barrier is typically formed by physical vapor deposition or PVD (for "Physical Vapor Deposition"), and more particularly by electron beam assisted PVD or EPBVD (for "Electron Beam PVD").
  • the vane wall is coated with a condensation of ceramic vapor in a vacuum chamber with a partial pressure of neutral or reactive gas.
  • the ceramic vapor is generated by evaporation of sintered ceramic "target" bars, bombarded by an electron beam.
  • the thickness of the coating of the ceramic thermal barrier to be deposited on the wall of the blade is specified by the design office. This specification only takes into account the maximum permissible wall temperature at dawn before it deteriorates. But it does not take into account the technical constraints of implementing the deposit itself of the coating (shape and kinematics of the tools and the target bars, etc.), so that the thickness of coating recommended by the office of study can not always be obtained in practice.
  • the present invention makes it possible to remedy this drawback by proposing a method for estimating a thickness of a ceramic thermal barrier coating to be deposited by physical vapor deposition by at least one target on a part. hot gas turbine engine mounted on a support tool, the method comprising:
  • An estimation step for at least one mesh of the hot part exposed to the radiation of the target during the deposition of the coating, of a thickness of coating to be deposited on this mesh at a given moment, using a model of radiation of the target and taking into account the position of this mesh at this time relative to the target.
  • the invention also proposes a device for estimating a thickness of a ceramic thermal barrier coating to be deposited by physical vapor deposition by at least one target on a hot part of a gas turbine mounted on a surface. support tooling, this device comprising:
  • Means for estimating, for at least one mesh of the hot part exposed to the radiation of the target during the deposition of the coating, a thickness of coating to be deposited on this mesh at a given instant these means being suitable for use a radiation pattern of the target and take into account the position of this mesh at this time relative to the target.
  • EPBVD electron beam-assisted physical vapor deposition
  • kinematics of the hot part with respect to the target here means the parameters and / or elements characterizing the movement of the hot part relative to the target during PVD deposition.
  • the Numerical modeling of the kinematics of the hot part with respect to the target may notably consist of characterizing one or more axes of rotation of the hot part with respect to the target, as well as the speed or speeds associated with it.
  • the origin of the movement of the hot part relative to the target can be any, for example it can come from a movement of the support tool, the target, etc.
  • the invention proposes a predictive numerical tool for dimensioning and characterizing easily and rapidly a thermal barrier deposit on a hot part, given real industrial constraints (geometry and kinematics of the hot part with respect to the target, masked parts hot room, etc.). It will of course be possible to develop a human-machine interface (HMI) with this tool in order to facilitate the exploitation of the thicknesses obtained.
  • HMI human-machine interface
  • the physical phenomena occurring during the deposition of thermal barriers are considered to be radiation from target.
  • portions of the hot room exposed to the vapors (i.e., ceramic particles) of the target are likened to portions exposed to radiation from the target.
  • the tool proposed by the invention is thus advantageously based on a radiation pattern of the target, a ray emitted by the target according to this model corresponding to a stream of ceramic particles emitted by the target in the direction of this ray. It allows, through the analysis of the estimated thickness and the fact of the use of numerical models, to easily adapt the tooling and its kinematics in order to reach a deposit closer to the specifications of the office of study . This limits the actual part tests necessary to achieve this result.
  • the surface mesh of the hot part makes it possible to calculate the thickness in different points of this one, and at different times. One can thus get rid of the various cutting operations of the real parts previously implemented to validate the results.
  • the deposit thickness can be accessed at many points of the hot part, which facilitates the analysis of the results.
  • the method according to the invention further comprises:
  • the radiation pattern is defined for a mesh of said at least one target by:
  • - 1 ( ⁇ ) denotes the intensity of a ray emitted by the mesh of said at least one target in a direction forming an angle ⁇ with respect to the normal to this mesh (this intensity models the flow of ceramic particles emitted by the target in the direction ⁇ );
  • N and I 0 denote predetermined constants.
  • the invention thus uses a precise model that also takes into account the geometry of the target. Note that the constants n and I 0 can be determined theoretically or experimentally.
  • the method according to the invention further comprises:
  • a step of numerical modeling of at least one mask capable of preventing the exposure of an area of the hot room to the radiation of said at least one target
  • the meshes of the hot part considered during the estimation step comprise unmasked meshes at the given moment with respect to said at least one target by stitches of said at least one mask during deposition of the coating .
  • masks allow a greater flexibility in the taking into account of the constraints of deposit.
  • These masks can come from elements of the tool strictly speaking of support of the hot part during PVD deposition (eg for a blade, the support tool can mask the platform of dawn and its base), or reflect areas that one does not wish to expose to the evaporation (ie radiation) of the target during the deposit (eg trailing edge of the blade).
  • the method according to the invention further comprises:
  • the modeling and the surface mesh of the tooling makes it possible to improve the precision of the estimate of the thickness of coating realized, and to take into account easily evolutions of the tooling of support of the hot part.
  • the surface mesh of the support tool since it participates only in the definition of masks of the hot part, does not need to be as precise as that of the hot part and / or the where appropriate from the target.
  • this loss factor makes it possible to obtain an estimate of the thickness of the coating more close to that defined experimentally during tests performed on real parts.
  • the various steps of the estimation method according to the invention are determined by instructions of computer programs.
  • the invention also relates to a computer program on an information medium, this program being capable of being implemented in an estimation device or more generally in a computer, this program comprising instructions adapted to the implementation of the steps of an estimation method as described above.
  • This program can use any programming language, and be in the form of source code, object code, or intermediate code between source code and object code, such as in a partially compiled form, or in any other form desirable shape.
  • the invention also relates to a computer-readable information medium, comprising instructions of a computer program as mentioned above.
  • the information carrier may be any entity or device capable of storing the program.
  • the medium may comprise storage means, such as a ROM, for example a CD ROM or a microelectronic circuit ROM, or a magnetic recording medium, for example a floppy disk or a disk. hard.
  • the information medium may be a transmissible medium such as an electrical or optical signal, which may be conveyed via an electrical or optical cable, by radio or by other means.
  • the program according to the invention can be downloaded in particular on an Internet type network.
  • the information carrier may be an integrated circuit in which the program is incorporated, the circuit being adapted to execute or to be used in the execution of the method in question.
  • the invention also aims to use the method according to the invention for estimating a thickness of one ceramic thermal barrier coating to be deposited by physical vapor deposition by at least one target on a fixed blade or on a gas turbine moving blade.
  • FIG. 1 shows, in its environment, a support tool on which is mounted a plurality of gas turbine blades and can be used during an EBPVD deposit;
  • FIG. 2 shows a device according to the invention in a particular embodiment, capable of estimating a ceramic thermal barrier coating thickness to be deposited on a blade mounted on the tool shown in Figure 1;
  • FIG. 3 represents, in the form of a flow chart, in a particular embodiment, the main steps of a method according to the invention for estimating a ceramic thermal barrier coating thickness, implemented by the device of Figure 2;
  • FIG. 4A represents numerical models of the support tool and the gas turbine blade represented in FIG. 1, meshed using a triangular surface mesh;
  • FIG. 4B illustrates a particular mesh of the target represented in FIG. 1;
  • FIG. 4C illustrates a non-uniform mesh of the turbine blade shown in FIG. 1;
  • FIG. 5 represents a ray emitted by a mesh of the target in the direction of a mesh of the turbine blade
  • FIG. 6 illustrates ceramic thermal barrier coating thickness values obtained using the method according to the invention and compared to test results.
  • a thickness of a ceramic thermal barrier coating to be deposited by electron beam assisted vapor deposition (or EPBVD) on a blade of a gas turbine.
  • EPBVD electron beam assisted vapor deposition
  • This blade is for example a fixed dawn distributor or a moving blade of a high pressure turbine.
  • the blade in order to carry out an EBPVD deposit of a ceramic thermal barrier on a gas turbine blade, the blade is positioned in a vacuum chamber with a partial pressure of neutral or reactive gas. The blade is then coated by condensation of ceramic vapors generated by evaporation of one or more ceramic sources under electron bombardment. These ceramic sources are, for example, sintered ceramic bars. These are targets (of the electron beam) within the meaning of the invention.
  • the blade In order to expose the entire profile of the blade to the ceramic vapors radiated by the ceramic sources, the blade is placed on a support tool which gives it a rotational or oscillatory movement with respect to the sources during the deposition. EBPVD.
  • FIG. 1 represents, in its environment, a support tool 1 that can be used during an EBPVD deposit of a ceramic thermal barrier by one or more target sources 2 on a plurality of blades 3 high pressure turbine.
  • This support tooling 1 comprises an arm 4 terminated by a fork having two parallel branches 5A and 5B.
  • the parallel branches 5A and 5B support transverse cylindrical bars 6 on which the vanes 3 are mounted.
  • the transverse bars 6 are driven in a rotational movement around their axis of revolution, thus causing the blades 3 to move relative to the targets 2.
  • the targets 2 are positioned under the support tool 1 and radiate clouds of ceramic vapor under the effect of an electron bombardment (not shown).
  • the use of several 2 has the advantage of having a more uniform vapor field at the blades.
  • Each blade 3 is mounted on a transverse bar 6 and fixed on it at its trailing edge, its platform and its foot. It is therefore clear that these areas of the blade being masked by elements of the tool 1 as shown in Figure 1, they will not be exposed to radiation targets during EBPVD deposit.
  • the invention advantageously proposes a predictive tool making it possible to estimate at a given instant, the thickness e of the ceramic thermal barrier coating deposited by EBPVD on one of the gas turbine blades 3 mounted on the tools 1.
  • this tool is in the form of a computer program comprising instructions adapted to the implementation of the steps of an estimation method according to the invention.
  • this program is stored in an estimation device 7 according to the invention, which here has the hardware architecture of a computer.
  • the device 7 comprises in particular a processor 8, a random access memory 9, a read-only memory 10, a non-volatile memory 11, input / output means 12 (eg a mouse, a keyboard, etc.) and a screen 13 enabling to visualize the estimated thicknesses according to the invention.
  • the ROM 10 constitutes a recording medium according to the invention, readable by the processor 8 is on which is recorded the aforementioned program.
  • numerical models, M1, M2, M3, of the support tool 1, the targets 2 and the blade 3A are respectively established (step E10).
  • These numerical models are here in the form of discrete data files, stored in the nonvolatile memory 11 of the device 7, and in particular describing the geometrical shapes of the tool 1, the targets 2 and the blade 3A as well as their positions in a predetermined coordinate system ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ).
  • the discrete data constituting the numerical models M1, M2 and M3 correspond to the coordinates of various points representative of the tooling 1, the targets 2 and the blade 3A in this predetermined reference frame.
  • these models In addition to defining the geometric shapes of the elements they model, these models also include, where appropriate, the characteristics of the kinematics animating these elements.
  • the model Ml comprises the characteristics of the kinematics animating the transverse bars 6 of the support tooling 1, namely the coordinates of the axis of revolution of the bar 6 on which the blade 3A is mounted and its speed of rotation. rotation around this axis.
  • the targets 2 are fixed.
  • the blade 3A is fixed relative to the transverse bar 6.
  • the blade 3A is driven in a movement relative to the targets 2 which comes from the single movement of the crossbar 6 on which it is mounted . Therefore, the definition of the motion kinematics of the transverse bar 6 is equivalent to defining also the kinematics of the blade 3A with respect to the targets 2.
  • a surface mesh also known as paving
  • a surface mesh of a domain consists of discretizing this domain into several finite geometric elements (or cells) such as, for example, triangles, quadrilaterals or other polygons.
  • finite geometric elements or cells
  • Such a mesh advantageously makes it possible to simplify numerical models Ml, M2 and M3 to facilitate calculations of the thermal barrier coating thickness at various points of the blade 3A.
  • FIG. 4A illustrates an exemplary model S3 resulting from the surface mesh of the blade 3A with triangles from the numerical model M3. In order not to weigh down the figure, only part of the S3 model has been represented.
  • Each triangle constitutes a mesh m of the model S3.
  • Each mesh m of the model S3 is defined by the coordinates of its vertices A, B, C and its center 0 in the reference ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ).
  • FIG. 4B illustrates an exemplary model S2 resulting from the surface meshing of the target 2 by triangles from the numerical model M2.
  • Each triangle is a m2 mesh of the S2 model.
  • Each m2 mesh of the model S2 is defined by the coordinates of its vertices A, B, C and its center 0 in the reference ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ).
  • fineness of the surface mesh used i.e. the size of the cells composing the mesh
  • the fineness of the surface mesh used may vary from one element to another.
  • a rather fine surface mesh will be used for the studied zone of the blade 3A and for the targets 2, so as to allow an accurate estimation of the coating thickness at various points of the blade.
  • the mesh produced will not necessarily be uniform.
  • FIG. 4C illustrates a nonuniform SI mesh of the blade 3A for the study of a 50% cut, the zone of the cut 17 being meshed much more finely than the rest 16 of the piece.
  • the invention also offers the possibility of defining one or more masks (step E30) serving as screens between the targets 2 and the blade 3A during the EBPVD deposit to prevent exposure. some areas of dawn 3A.
  • step E30 identifies the meshes of the blade 3A exposed at a given instant to the radiation of the targets 2.
  • the unmasked meshes are identified at time t by an element of the support tooling 1 or masks 14 and 15 (step E40).
  • the processor 8 of the device 7 evaluates at the instant f i the position of each mesh of the blade 3A with respect to the target 2, with the aid of the coordinates of the centers of the meshes of the blade 3A and the centers of the meshes of the target 2 defined respectively in the models SI and S2.
  • the meshes of the blade 3A exposed to the radiation of the targets 2 at time t are denoted m e .
  • step E50 it is then estimated for each mesh size e identified during step E40, the thickness e (m e ) of thermal barrier coating deposited by the targets 2 on this mesh at this time (step E50).
  • each m2 mesh of a target 2 is characterized by its center and emits ceramic particles.
  • the radiation model considered here defines the radiation intensity or particle emission intensity of each target 2 (ie the flow rate of particles emitted by this target) as a function of the emission direction of the particles.
  • This model advantageously takes into account the relative position of the mesh m e of the blade 3A considered with respect to this target at time t.
  • this model is based on the assumption that each m2 mesh of a target 2 emits a particle flow 1 (9) in a direction at an angle ⁇ with respect to the normal to the m2 mesh (and ( expressed in number of particles per square meter per second) given by the following equation (1):
  • n and I 0 denote predetermined constants.
  • the flow of particles emitted by the mesh m2 and reaching a m e mesh of the blade 3A depends on the position of the mesh e m with respect to the mesh m2 at time t.
  • the constant I 0 represents the average volume of ceramic evaporated by the targets 2 per unit area.
  • I 0 is determined theoretically from the target rise speed v (c ') and the density of the ceramic evaporated by the targets 2, according to the following equation (2). : where N AV denotes the number of Avogradro and M m the molar mass of the ceramic particles emitted by the targets.
  • the exponent n gives the form of emission of the particle beam by the target 2. It is here determined experimentally, from tests carried out using the tooling 1: these tests consist in placing at different distances the targets 2 test plates so as to measure the flow of particles reaching these plates. The results of these tests are compared with the values given by the radiation model of equation (1), so as to adjust the value of the constant n. An average performed on all the tests makes it possible to deduce the value of the constant n used to model the target 2.
  • the radiation model described here assumes that the evaporation of a target is constant as a function of time and homogeneous over the entire target (i.e. on each cell).
  • the inventors have found that these assumptions are made in practice on average over an EBPVD deposition cycle, in particular taking into account the kinematics imposed by tooling 1 at dawn 3A.
  • r denotes the distance separating the center of an elementary surface ds " from the mesh m e from the center of an elementary surface ds of the mesh m2
  • ⁇ denotes the angle of emission by the elementary surface ds of the mesh m2 a radius relative to the normal to the elementary surface ds of the m2 mesh
  • ⁇ 2 denotes the angle of reception by the elementary surface ds' of the mesh m e of this radius relative to the normal to the surface elementary from the mesh m e .
  • FIG. 5 illustrates the distance r, and the emission angles ⁇ and of reception ⁇ 2 .
  • s and s' are small in front of the distance r, so that the equation (3) can be approximated by the following equation (4):
  • ⁇ , _, ⁇ / 0 cos n 0 1 - ss'
  • r denotes the distance separating the center of the mesh e m from the center of the mesh m2
  • ⁇ denotes the angle of emission by the mesh m2 of a radius relative to the normal to the mesh m2
  • ⁇ 2 denotes the reception angle by the mesh m e of this radius compared to the normal to the mesh m e .
  • the processor 8 therefore evaluates the total flow ⁇ 3 . of particles radiated by the target 2 from equations (4) and (5). To this end, the ⁇ angles ⁇ 2 and the distance r is calculated by the CPU 8 in known manner from the coordinates of the centers of m2 meshes and m e defined by the mesh models S2 and S3. The dimensions of the surfaces s and s' are predefined and known from the surface mesh step E20.
  • the CPU 8 calculates the mass M g P OT deposited at time t ⁇ The. after an exposure of a duration t to the radiation of the targets) on the surface s' of the mesh m e considered, according to the following equation (6):
  • the processor 8 additionally applies to the thickness e (m e ) a multiplicative loss factor ⁇ reflecting the rays emitted by the targets 2, which n do not reach dawn 3A, even in the absence of masks impeding the passage of these rays (these rays model the particles of ceramics emitted by the targets that do not reach the dawn 3A), this factor y varies according to the distance traveled by the radius, and therefore the position of the blade 3A relative to the target. It can be determined experimentally from tests performed on real parts, similarly to the exponent n.
  • the estimated thickness by the processor 8 to the m th cell of the blade 3A at time t is given by YXE (m e). This thickness reflects the thickness of the thermal barrier ceramic coating to be deposited by the target 2 of the mesh m e of the blade 3A at time t.
  • this figure also shows a curve C2 of thickness values obtained by real tests.
  • the curve C1 is very close to the curve C2.
  • the differences observed between these two curves may in particular be explained by a number of points considered to construct the curve C2 less than the number of points estimated using the method according to the invention for the curve C1.
  • the numerical tool proposed by the invention makes it possible to quickly and simply estimate the coating thickness of many more points than during a test on a real part.
  • the invention thus makes it possible to easily and rapidly dispose of the thickness of ceramic thermal barrier coating to be deposited at any point in a hot part of a gas turbine such as blade 3A, taking into account technical constraints. predetermined. These constraints (eg shape and kinematics of the tooling, presence of masks, etc.) can be easily specified, for example by means of an HMI coming to interface with the digital tool of the invention.
  • constraints eg shape and kinematics of the tooling, presence of masks, etc.
  • this HMI facilitating visualization and exploitation of the results (thickness of thermal barrier coating) can be developed.
  • this HMI will be able to visualize the evolution of the coating thickness of thermal barrier in different points of the hot room as a function of time, the distribution of this thickness on different sections of the hot room or the distribution of thicknesses the whole of the hot room, etc.

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Abstract

Le procédé d'estimation selon l'invention d'une épaisseur d'un revêtement de barrière thermique en céramique devant être déposé par dépôt physique en phase vapeur par une cible sur une pièce chaude de turbine à gaz montée sur un outillage de support, comprend : - une étape (E10) de modélisation numérique de la forme géométrique de la pièce chaude et de sa cinématique par rapport à la cible; - une étape (E20) de maillage surfacique de la pièce chaude modélisée; et - une étape d'estimation (E50), pour au moins une maille de la pièce chaude exposée au rayonnement de la cible lors du dépôt du revêtement, d'une épaisseur de revêtement devant être déposé sur cette maille à un instant donné en utilisant un modèle de rayonnement de la cible et en prenant en compte la position de cette maille à cet instant par rapport à la cible.

Description

Procédé et dispositif d'estimation d'une épaisseur d'un revêtement de barrière thermique en céramique
Arrière-plan de l'invention
L'invention appartient au domaine général des dépôts de revêtements de barrière thermique en céramique sur des pièces chaudes de turbines à gaz, telles que par exemple des turboréacteurs.
Elle concerne plus particulièrement l'estimation d'une épaisseur de revêtement de barrière thermique en céramique devant être déposée par dépôt physique en phase vapeur sur une pièce chaude d'une turbine à gaz, telle qu'une aube de distributeur ou de roue mobile d'une turbine haute pression.
L'invention a ainsi une application privilégiée mais non limitative dans le domaine de l'aéronautique.
De façon connue, une aube de turbine à gaz est soumise, lors du fonctionnement de la turbine, à des températures relativement élevées.
Afin d'éviter sa détérioration, une solution consiste à revêtir la paroi de l'aube d'une barrière thermique formée d'une couche externe de céramique, pour abaisser sa température. Une céramique couramment utilisée à cet effet est la zircone Zr02 éventuellement stabilisée à l'yttrium. Une telle barrière thermique en céramique est formée typiquement par dépôt physique en phase vapeur ou PVD (pour « Physical Vapor Déposition »), et plus particulièrement par PVD assisté par faisceau d'électrons ou EPBVD (pour « Electron Beam PVD »).
Conformément à la technique EPBVD, la paroi de l'aube est revêtue par une condensation de vapeur de céramique dans une enceinte sous vide avec une pression partielle de gaz neutre ou réactif. La vapeur de céramique est générée par évaporation de barreaux « cibles » de céramique frittés, bombardés par un faisceau d'électrons.
Seule la surface de l'aube située en vis-à-vis de la surface des barreaux de céramique est revêtue d'une couche de céramique par l'intermédiaire de ce procédé. Aussi, pour pouvoir recouvrir l'ensemble du profil de l'aube, celle-ci est placée dans la vapeur durant le dépôt EBPVD sur un outillage de support animé d'un mouvement de rotation ou d'oscillation par rapport aux barreaux « cibles ». Actuellement, l'épaisseur du revêtement de la barrière thermique en céramique devant être déposée sur la paroi de l'aube est spécifiée par le bureau d'étude. Cette spécification prend uniquement en compte la température de paroi maximale admissible par l'aube avant sa détérioration. Mais elle ne tient pas compte des contraintes techniques de mises en œuvre du dépôt à proprement parler du revêtement (forme et cinématique de l'outillage et des barreaux cibles, etc.), de sorte que l'épaisseur de revêtement préconisée par le bureau d'étude ne peut pas toujours être obtenue en pratique.
De ce fait, plusieurs essais sont généralement mis en œuvre sur des pièces réelles en vue de définir, de façon itérative, un outillage de support de l'aube et des conditions de dépôt EBPVD (ex. cinématique de l'outillage, temps d'exposition de la pièce chaude au rayonnement de la ou des cibles, etc.) permettant d'atteindre une épaisseur de revêtement au plus proche de l'épaisseur spécifiée par le bureau d'étude.
Ces essais requièrent non seulement la fabrication et l'utilisation de pièces réelles telles que l'aube ainsi que divers outillages de support de l'aube et pièces de masquage de zones de l'aube que l'on ne souhaite pas exposer au rayonnement des barreaux de céramique pendant le dépôt EBPVD. Ces essais nécessitent également une analyse des dépôts alors réalisés, incluant la découpe des aubes après dépôt, la mesure des dépôts sur différentes sections de l'aube, et la comparaison des épaisseurs de dépôt obtenues avec les spécifications du bureau d'étude.
En général, trois essais au minimum sont nécessaires pour atteindre les spécifications du bureau d'étude. On comprend bien dès lors qu'il s'agit là d'un procédé relativement coûteux, à la fois en termes de ressources matérielles et de temps nécessaire pour atteindre un revêtement de barrière thermique satisfaisant par rapport aux spécifications.
Obiet et résumé de l'invention
La présente invention permet notamment de remédier à cet inconvénient en proposant un procédé d'estimation d'une épaisseur d'un revêtement de barrière thermique en céramique devant être déposé par dépôt physique en phase vapeur par au moins une cible sur une pièce chaude de turbine à gaz montée sur un outillage de support, ce procédé comprenant :
— une étape de modélisation numérique de la forme géométrique de la pièce chaude et de sa cinématique par rapport à ladite au moins une cible ;
— une étape de maillage surfacique de la pièce chaude ainsi modélisée ; et
— une étape d'estimation, pour au moins une maille de la pièce chaude exposée au rayonnement de la cible lors du dépôt du revêtement, d'une épaisseur de revêtement devant être déposé sur cette maille à un instant donné, en utilisant un modèle de rayonnement de la cible et en prenant en compte la position de cette maille à cet instant par rapport à la cible.
Corrélativement, l'invention propose également un dispositif d'estimation d'une épaisseur d'un revêtement de barrière thermique en céramique devant être déposé par dépôt physique en phase vapeur par au moins une cible sur une pièce chaude de turbine à gaz montée sur un outillage de support, ce dispositif comprenant :
— des moyens de modélisation numérique de la forme géométrique de la pièce chaude et de sa cinématique par rapport à ladite au moins une cible ;
— des moyens de maillage surfacique de la pièce chaude ainsi modélisée ; et
— des moyens d'estimation, pour au moins une maille de la pièce chaude exposée au rayonnement de la cible lors du dépôt du revêtement, d'une épaisseur de revêtement devant être déposé sur cette maille à un instant donné, ces moyens étant aptes à utiliser un modèle de rayonnement de la cible et à prendre en compte la position de cette maille à cet instant par rapport à la cible.
Préférentiellement, on envisagera un dépôt physique en phase vapeur assisté par faisceau d'électrons (EPBVD) réalisé, de façon connue en soi, à l'aide de cibles de céramique telles que des barreaux ou des lingots de céramique frittés.
Par cinématique de la pièce chaude par rapport à la cible, on entend ici les paramètres et/ou éléments caractérisant le mouvement de la pièce chaude par rapport à la cible lors du dépôt PVD. Ainsi, la modélisation numérique de la cinématique de la pièce chaude par rapport à la cible peut notamment consister à caractériser un ou plusieurs axes de rotation de la pièce chaude par rapport à la cible, ainsi que la ou les vitesses de rotation associées. On notera que l'origine du mouvement de la pièce chaude par rapport à la cible peut être quelconque, par exemple il peut provenir d'un mouvement de l'outillage de support, de la cible, etc.
Ainsi l'invention propose un outil numérique prédictif permettant de dimensionner et de caractériser facilement et rapidement un dépôt de barrière thermique sur une pièce chaude, compte tenu de contraintes industrielles réelles (géométrie et cinématique de la pièce chaude par rapport à la cible, parties masquées de la pièce chaude, etc.). On pourra bien entendu développer une interface homme-machine (IHM) avec cet outil afin de faciliter l'exploitation des épaisseurs obtenues.
Conformément à l'invention, les phénomènes physiques intervenant lors du dépôt de barrière thermique liés notamment au bombardement de la cible par le faisceau d'électrons et à la génération de molécules lors de l'évaporation de la cible, sont assimilés à un rayonnement de la cible. Corrélativement, les parties de la pièce chaude exposées aux vapeurs (i.e. aux particules de céramique) de la cible sont assimilées à des parties exposées à un rayonnement de la cible.
L'outil proposé par l'invention s'appuie donc avantageusement sur un modèle de rayonnement de la cible, un rayon émis par la cible selon ce modèle correspondant à un flux de particules de céramique émis par la cible dans la direction de ce rayon. Il permet, via l'analyse de l'épaisseur estimée et du fait de l'utilisation de modèles numériques, d'adapter aisément l'outillage et sa cinématique en vue d'atteindre un dépôt au plus proche des spécifications du bureau d'étude. On limite ainsi les essais sur pièces réelles nécessaires pour atteindre ce résultat.
Le maillage surfacique de la pièce chaude permet de calculer l'épaisseur en différents points de celle-ci, et à différents instants. On peut ainsi s'affranchir des diverses opérations de découpe des pièces réelles auparavant mises en œuvre pour valider les résultats. En outre, grâce à l'invention, on peut accéder à l'épaisseur de dépôt en de nombreux points de la pièce chaude, ce qui facilite l'analyse des résultats.
Par ailleurs, le recours à une modélisation numérique de la pièce chaude permet de s'adapter à de nombreuses pièces chaudes. Une telle modélisation numérique est par exemple offerte par le logiciel CATIA® développé par la société Dassault Systèmes et connu dans le domaine de la conception assistée par ordinateur (CaO).
Dans un mode particulier de réalisation, le procédé selon l'invention comporte en outre :
— une étape de modélisation numérique de la forme géométrique de ladite au moins une cible ;
— une étape de maillage surfacique de ladite au moins une cible ainsi modélisée ;
et dans lequel le modèle de rayonnement est défini pour une maille de ladite au moins une cible par :
/(0) = /o[cos(0)]n
où ;
— 1(θ) désigne l'intensité d'un rayon émis par la maille de ladite au moins une cible selon une direction faisant un angle Θ par rapport à la normale à cette maille (cette intensité modélise le débit de particules de céramique émis par la cible selon la direction Θ) ; et
— n et I0 désignent des constantes prédéterminées.
L'invention utilise ainsi un modèle précis prenant également en compte la géométrie de la cible. On notera que les constantes n et I0 peuvent être déterminées théoriquement ou expérimentalement.
Dans un autre mode de réalisation, le procédé selon l'invention comporte en outre :
— une étape de modélisation numérique d'au moins un masque apte à empêcher l'exposition d'une zone de la pièce chaude au rayonnement de ladite au moins une cible ; et
— une étape de maillage surfacique dudit au moins un masque ;
et dans lequel les mailles de la pièce chaude considérées au cours de l'étape d'estimation comprennent des mailles non masquées à l'instant donné par rapport à ladite au moins une cible par des mailles dudit au moins un masque lors du dépôt du revêtement.
La modélisation et le maillage surfacique de masques permet une plus grande flexibilité dans la prise en compte des contraintes de dépôt. Ces masques peuvent provenir d'éléments de l'outillage à proprement parler de support de la pièce chaude lors du dépôt PVD (ex. pour une aube, l'outillage de support peut masquer la plateforme de l'aube et son embase), ou refléter des zones que l'on ne souhaite pas exposer à l'évaporation (i.e. au rayonnement) de la cible lors du dépôt (ex. bord de fuite de l'aube).
Grâce à l'invention, on peut ainsi également tester facilement différentes positions de la pièce chaude sur l'outillage de support par rapport à la cible via la modélisation de masques adéquates.
Dans un mode particulier de réalisation, le procédé selon l'invention comporte en outre :
— une étape de modélisation numérique de l'outillage de support de la pièce chaude ; et
— une étape de maillage surfacique de l'outillage de support ainsi modélisé.
La modélisation et le maillage surfacique de l'outillage permet d'améliorer la précision de l'estimation de l'épaisseur de revêtement réalisée, et de prendre en compte facilement des évolutions de l'outillage de support de la pièce chaude.
En outre l'utilisation d'un outil numérique tel que proposé dans l'invention permet de stocker facilement les outillages de support (et la cinématique associée) testés et validés par rapport aux spécifications du bureau d'étude (en ce sens où ils permettent d'atteindre les spécifications du bureau d'étude). On obtient ainsi une meilleure traçabilité des tests de validation envisagés. On peut par ailleurs concevoir facilement un catalogue d'outillages pouvant servir de base de connaissances pour le développement de nouveaux outillages et la proposition de nouvelles cinématiques.
On notera que le maillage surfacique de l'outillage de support, dès lors qu'il participe uniquement à la définition de masques de la pièce chaude, n'a pas besoin d'être aussi précis que celui de la pièce chaude et/ou le cas échéant de la cible.
Dans une variante de réalisation, au cours de l'étape d'estimation, on pourra prendre en compte en outre, un facteur de perte correspondant aux rayons émis par ladite au moins une cible lors du dépôt qui n'atteignent pas la pièce chaude (en dépit de l'absence d'obstacle entre la cible et la pièce chaude, certaines particules de céramique n'atteignent pas la pièce chaude). La prise en compte de ce facteur de perte permet d'obtenir une estimation de l'épaisseur du revêtement plus proche de celle définie expérimentalement lors des essais réalisés sur des pièces réelles.
Dans un mode particulier de réalisation, les différentes étapes du procédé d'estimation selon l'invention sont déterminées par des instructions de programmes d'ordinateurs.
En conséquence, l'invention vise aussi un programme d'ordinateur sur un support d'informations, ce programme étant susceptible d'être mis en œuvre dans un dispositif d'estimation ou plus généralement dans un ordinateur, ce programme comportant des instructions adaptées à la mise en œuvre des étapes d'un procédé d'estimation tel que décrit ci-dessus.
Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet, tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable.
L'invention vise aussi un support d'informations lisible par un ordinateur, et comportant des instructions d'un programme d'ordinateur tel que mentionné ci-dessus.
Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une disquette (floppy dise) ou un disque dur.
D'autre part, le support d'informations peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet.
Alternativement, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé en question.
Selon un autre aspect, l'invention vise également l'utilisation du procédé selon l'invention pour l'estimation d'une épaisseur d'un revêtement de barrière thermique en céramique devant être déposé par dépôt physique en phase vapeur par au moins une cible sur une aube fixe ou sur une aube mobile de turbine à gaz. Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
— la figure 1 représente, dans son environnement, un outillage de support sur lequel est monté une pluralité d'aubes de turbine à gaz et pouvant être utilisé lors d'un dépôt EBPVD ;
— la figure 2 représente un dispositif, conforme à l'invention dans un mode particulier de réalisation, apte à estimer une épaisseur de revêtement de barrière thermique en céramique devant être déposé sur une aube montée sur l'outillage représenté sur la figure 1 ;
— la figure 3 représente, sous forme d'ordinogramme, dans un mode particulier de réalisation, les principales étapes d'un procédé conforme à l'invention d'estimation d'une épaisseur de revêtement de barrière thermique en céramique, mis en œuvre par le dispositif de la figure 2 ;
— la figure 4A représente des modèles numériques de l'outillage de support et de l'aube de turbine à gaz représentés sur la figure 1, maillés à l'aide d'un maillage surfacique en triangles ;
— la figure 4B illustre un maillage particulier de la cible représentée sur la figure 1 ;
— la figure 4C illustre un maillage non uniforme de l'aube de turbine représentée sur la figure 1 ;
— la figure 5 représente un rayon émis par une maille de la cible en direction d'une maille de l'aube de turbine ; et
— la figure 6 illustre des valeurs d'épaisseurs de revêtement de barrière thermique en céramique obtenues à l'aide du procédé selon l'invention et comparées à des résultats de test
Description détaillée de l'invention
Dans le mode de réalisation décrit ici, on envisage l'estimation d'une épaisseur d'un revêtement de barrière thermique en céramique devant être déposé par dépôt physique en phase vapeur assisté par faisceau d'électrons (ou EPBVD) sur une aube d'une turbine à gaz.
Cette aube est par exemple une aube fixe de distributeur ou une aube mobile d'une turbine haute pression.
Cette hypothèse n'est toutefois pas limitative, l'invention pouvant être appliquée pour déterminer l'épaisseur de revêtement de barrière thermique d'autres pièces chaudes de la turbine à gaz.
Comme décrit précédemment, pour procéder à un dépôt EBPVD d'une barrière thermique de céramique sur une aube de turbine à gaz, on positionne l'aube dans une enceinte sous vide avec une pression partielle de gaz neutre ou réactif. L'aube est alors revêtue par condensation de vapeurs de céramique générées par évaporation d'une ou de plusieurs sources de céramique sous bombardement électronique. Ces sources de céramique sont par exemple des barreaux de céramique frittés. Il s'agit de cibles (du faisceau d'électrons) au sens de l'invention.
Afin d'exposer le profil entier de l'aube aux vapeurs de céramique rayonnées par les sources de céramique, l'aube est placée sur un outillage de support qui lui confère un mouvement de rotation ou d'oscillation par rapport aux sources lors du dépôt EBPVD.
Le principe du dépôt EBPVD étant connu de l'homme du métier, il ne sera pas décrit plus en détail ici.
A titre d'exemple, la figure 1 représente, dans son environnement, un outillage 1 de support pouvant être utilisé lors d'un dépôt EBPVD d'une barrière thermique en céramique par une ou plusieurs sources cibles 2 sur une pluralité d'aubes 3 de turbine haute pression.
Cet outillage de support 1 comporte un bras 4 terminé par une fourche disposant de deux branches parallèles 5A et 5B. Les branches parallèles 5A et 5B supportent des barres cylindriques transversales 6 sur lesquelles sont montées les aubes 3.
Les barres transversales 6 sont animées d'un mouvement de rotation autour de leur axe de révolution, provoquant ainsi un mouvement des aubes 3 par rapport aux cibles 2.
Les cibles 2 sont positionnées sous l'outillage de support 1 et rayonnent des nuages de vapeur de céramique sous l'effet d'un bombardement électronique (non représenté). L'utilisation de plusieurs cibles 2 présente l'avantage d'avoir un champ de vapeur plus uniforme au niveau des aubes.
Chaque aube 3 est montée sur une barre transversale 6 et fixée sur celle-ci au niveau de son bord de fuite, de sa plateforme et de son pied. On comprend bien dès lors que ces zones de l'aube étant masquées par des éléments de l'outillage 1 comme représenté sur la figure 1, elles ne seront pas exposées au rayonnement des cibles lors du dépôt EBPVD.
Comme mentionné précédemment, l'invention propose avantageusement un outil prédictif permettant d'estimer à un instant donné, l'épaisseur e du revêtement de barrière thermique en céramique déposé par EBPVD sur l'une des aubes 3 de turbine à gaz montées sur l'outillage 1.
Dans l'exemple envisagé ici, cet outil se présente sous la forme d'un programme d'ordinateur comportant des instructions adaptées à la mise en œuvre des étapes d'un procédé d'estimation selon l'invention.
En référence à la figure 2, ce programme est stocké dans un dispositif d'estimation 7 conforme à l'invention disposant ici de l'architecture matérielle d'un ordinateur.
Le dispositif 7 comporte notamment un processeur 8, une mémoire vive 9, une mémoire morte 10, une mémoire non volatile 11, des moyens d'entrées/sorties 12 (ex. une souris, un clavier, etc.) et un écran 13 permettant de visualiser les épaisseurs estimées conformément à l'invention. La mémoire morte 10 constitue un support d'enregistrement conforme à l'invention, lisible par le processeur 8 est sur lequel est enregistré le programme précité.
Nous allons maintenant décrire, en référence à la figure 3, les principales étapes du procédé d'estimation selon l'invention, dans un mode particulier de réalisation dans lequel elles sont mises en œuvre pour estimer une épaisseur de revêtement en céramique devant être déposé par EBPVD sur une aube 3A de la pluralité d'aubes 3 montées sur l'outillage 1 de la figure 1. On notera que l'invention permet d'estimer cette épaisseur en divers endroits de l'aube 3A.
Dans le mode de réalisation décrit ici, on établit dans un premier temps des modèles numériques, Ml, M2, M3, de l'outillage de support 1, des cibles 2 et de l'aube 3A respectivement (étape E10). Ces modèles numériques se présentent ici sous la forme de fichiers de données discrètes, stockés dans la mémoire non volatile 11 du dispositif 7, et décrivant notamment les formes géométriques de l'outillage 1, des cibles 2 et de l'aube 3A ainsi que leurs positions dans un repère prédéterminé (Χ,Υ,Ζ). Autrement dit, les données discrètes constituant les modèles numériques Ml, M2 et M3 correspondent aux coordonnées de différents points représentatifs de l'outillage 1, des cibles 2 et de l'aube 3A dans ce repère prédéterminé.
Les techniques d'obtention de tels modèles géométriques sont connues en soi. Ils peuvent par exemple être générés à l'aide d'outils de conception assistée par ordinateur tels que l'outil CATIA® développé par la société Dassault Systèmes.
Outre la définition des formes géométriques des éléments qu'ils modélisent, ces modèles comportent également, le cas échéant, les caractéristiques de la cinématique animant ces éléments.
Ainsi, le modèle Ml comporte les caractéristiques de la cinématique animant les barres transversales 6 de l'outillage de support 1, à savoir les coordonnées de l'axe de révolution de la barre 6 sur laquelle est montée l'aube 3A et sa vitesse de rotation autour de cet axe.
Dans l'exemple décrit ici, les cibles 2 sont fixes.
De même, l'aube 3A est fixe par rapport à la barre transversale 6. Autrement dit, l'aube 3A est animée d'un mouvement par rapport aux cibles 2 qui provient du seul mouvement de la barre transversale 6 sur laquelle elle est montée. Par conséquent, la définition de la cinématique de mouvement de la barre transversale 6 équivaut à définir également la cinématique de l'aube 3A par rapport aux cibles 2.
On notera que la définition de cette cinématique permet de déduire à chaque instant la position d'un point de l'aube 3A par rapport aux cibles 2.
Une fois les modèles Ml, M 2 et M3 établis, on procède à un maillage surfacique (aussi connu sous le nom de pavage) des éléments ainsi modélisés (étape E20).
De façon connue, un maillage surfacique d'un domaine consiste à discrétiser ce domaine en plusieurs éléments géométriques (ou cellules) finis tels que par exemple des triangles, des quadrilatères ou autres polygones. Un tel maillage permet avantageusement de simplifier les modèles numériques Ml, M2 et M3 en vue de faciliter les calculs de l'épaisseur de revêtement de barrière thermique en divers points de l'aube 3A.
Il peut être réalisé notamment à l'aide de procédés ou de logiciels mailleurs connus en soi et non détaillés ici, appliqués aux modèles numériques Ml, M2 et M3 précédemment établis.
La figure 4A illustre un exemple de modèle S3 résultant du maillage surfacique de l'aube 3A par des triangles à partir du modèle numérique M3. Pour ne pas alourdir la figure, seule une partie du modèle S3 a été représentée.
Chaque triangle constitue une maille m du modèle S3. Chaque maille m du modèle S3 est définie par les coordonnées de ses sommets A, B, C et de son centre 0 dans le repère (Χ,Υ,Ζ).
La figure 4B illustre un exemple de modèle S2 résultant du maillage surfacique de la cible 2 par des triangles à partir du modèle numérique M2. Chaque triangle constitue une maille m2 du modèle S2. Chaque maille m2 du modèle S2 est définie par les coordonnées de ses sommets A, B, C et de son centre 0 dans le repère (Χ,Υ,Ζ).
On notera que la finesse du maillage surfacique employé (i.e. la dimension des cellules composant le maillage) peut varier d'un élément à l'autre.
Ainsi, préférentiellement, on utilisera un maillage surfacique assez fin pour la zone étudiée de l'aube 3A et pour les cibles 2, de façon à permettre une estimation précise de l'épaisseur de revêtement en divers points de l'aube.
En revanche, pour l'outillage 1, on pourra utiliser un maillage plus grossier, le but de ce maillage étant de caractériser assez sommairement les éléments de l'outillage venant masquer à un instant donné des zones de l'aube 3A lors de son exposition aux rayonnements des cibles 2. Ces éléments constituent des masques au sens de l'invention.
En outre, le maillage réalisé ne sera pas nécessairement uniforme. Ainsi, on pourra adapter la finesse du maillage pour un même élément en fonction des zones de l'aube que l'on souhaite étudier.
A titre d'exemple, la figure 4C illustre un maillage SI non uniforme de l'aube 3A pour l'étude d'une coupe à 50%, la zone de la coupe 17 étant maillée beaucoup plus finement que 1e reste 16 de la pièce.
Dans le mode de réalisation décrit ici, l'invention offre également la possibilité de définir un ou d'autres masques (étape E30), servant d'écrans entre les cibles 2 et l'aube 3A lors du dépôt EBPVD pour empêcher l'exposition de certaines zones de l'aube 3A.
La définition de ces masques peut être réalisée en deux temps (modélisation numérique et maillage surfacique de ces masques), de façon similaire aux étapes E10 et E20 décrites précédemment.
Dans l'exemple représenté à la figure 4A, deux masques 14 et
15 sont définis par des cylindres et maillés grossièrement à l'aide de triangles. En variante, d'autres modélisations peuvent être envisagées, par exemple à l'aide de parallélépipèdes.
Suite au maillage surfacique des pièces 1, 2 et 3 à partir des modèles Ml, M2 et M3 (conduisant respectivement aux modèles maillés SI, S2 et S3), et le cas échéant des masques 14 et 15 définis à l'étape E30, on identifie les mailles de l'aube 3A exposées à un instant donné tau rayonnement des cibles 2. Autrement dit, on identifie les mailles non masquées à l'instant t par un élément de l'outillage de support 1 ou des masques 14 et 15 (étape E40).
A cette fin, le processeur 8 du dispositif 7 évalue à l'instant f ia position de chaque maille de l'aube 3A par rapport à la cible 2, à l'aide des coordonnées des centres des mailles de l'aube 3A et des centres des mailles de la cible 2 définis respectivement dans les modèles SI et S2.
Puis il recherche, pour chaque maille m de l'aube 3A et pour chaque maille m2 des cibles 2, si une ou plusieurs mailles de l'outillage 1 ou des masques 14 et 15 se situent sur la trajectoire du rayon passant par le centre de la maille m et par le centre de la maille m2. Cette recherche s'appuie sur l'implémentation de techniques géométriques (permettant d'identifier si une droite a une intersection avec une surface prédéterminée), connues en soi et non détaillées ici.
Dans la suite de la description, les mailles de l'aube 3A exposées au rayonnement des cibles 2 à l'instant t sont notées me.
Dans le mode de réalisation décrit ici, on estime alors pour chaque maille me identifiée au cours de l'étape E40, l'épaisseur e(me) du revêtement de barrière thermique déposé par les cibles 2 sur cette maille à cet instant (étape E50).
Pour ce faire, conformément à l'invention, on assimile les phénomènes physiques intervenant lors du dépôt du revêtement de barrière thermique à un rayonnement des cibles 2.
Ainsi, on utilise avantageusement pour estimer l'épaisseur e(me) un modèle de rayonnement des cibles 2. Chaque maille m2 d'une cible 2 est caractérisée par son centre et émet des particules de céramique. Le modèle de rayonnement considéré ici définit l'intensité de rayonnement ou intensité d'émission de particules de chaque cible 2 (i.e. le débit de particules émis par cette cible) en fonction de la direction d'émission des particules. Ce modèle permet avantageusement de prendre en compte la position relative de la maille me de l'aube 3A considérée par rapport à cette cible à l'instant t.
Bien entendu, un modèle de rayonnement différent (ex. paramétré différemment) peut être envisagé pour chaque cible, si les cibles sont de natures différentes. Dans l'exemple considéré ici, on utilise un seul modèle de rayonnement.
Plus précisément ici, ce modèle s'appuie sur l'hypothèse que chaque maille m2 d'une cible 2 émet un débit de particules 1(9) selon une direction faisant un angle Θ par rapport à la normale à la maille m2 (et (exprimé en nombre de particules par mètre carré par seconde) donné par l'équation (1) suivante :
où n et I0 désignent des constantes prédéterminées.
Autrement dit, le débit de particules émis par la maille m2 et atteignant une maille me de l'aube 3A dépend de la position de la maille me par rapport à la maille m2 à l'instant t.
La constante I0 représente le volume moyen de céramique évaporé par les cibles 2 par unité de surface. Dans le mode de réalisation décrit ici, I0 est déterminé théoriquement à partir de la vitesse v de montée des cibles (c') et de la masse p volumique de la céramique évaporée par les cibles 2, selon l'équation (2) suivante : où NAV désigne le nombre d'Avogradro et Mm la masse molaire des particules de céramique émises par les cibles.
L'exposant n donne la forme d'émission du faisceau de particules par la cible 2. Il est ici déterminé expérimentalement, à partir d'essais réalisés à l'aide de l'outillage 1 : ces essais consistent à placer à différentes distances des cibles 2 des plaques de tests de sorte à mesurer le débit de particules atteignant ces plaques. Les résultats de ces essais sont comparés aux valeurs données par le modèle de rayonnement de l'équation (1), de sorte à ajuster la valeur de la constante n. Une moyenne réalisée sur l'ensemble des essais permet de déduire la valeur de la constante n utilisée pour modéliser la cible 2.
On notera que par souci de simplification, le modèle de rayonnement décrit ici suppose que l'évaporation d'une cible est constante en fonction du temps et homogène sur l'ensemble de la cible (i.e. sur chaque maille). Les inventeurs ont constaté que ces hypothèses sont réalisées en pratique en moyenne sur un cycle de dépôt EBPVD compte tenu notamment de la cinématique imposée par l'outillage 1 à l'aube 3A.
Bien entendu, d'autres modèles plus élaborés prenant en compte des variations de l'évaporation en fonction du temps et/ou une évaporation non homogène sur la cible pourront être envisagés dans des variantes de réalisation.
A partir du modèle de rayonnement défini à l'équation (1), le flux Φ →λ· de particules émis par une maille m2 de la cible 2 de surface s en direction d'une maille me de l'aube 3A de surface s' s'écrit selon l'équation (3)
où r désigne la distance séparant le centre d'une surface élémentaire ds" de la maille me du centre d'une surface élémentaire ds de la maille m2, θι désigne l'angle d'émission par la surface élémentaire ds de la maille m2 d'un rayon par rapport à la normale à la surface élémentaire ds de la maille m2, et θ2 désigne l'angle de réception par la surface élémentaire ds' de la maille me de ce rayon par rapport à la normale à la surface élémentaire ds'ùe la maille me.
La figure 5 illustre la distance r, et les angles d'émission θι et de réception θ2. Pour un maillage fin des cibles 2 et de l'aube 3A, s et s' sont petites devant la distance r, de sorte que l'équation (3) peut être approximée par l'équation (4) suivante :
COS ΘΛ COS0?
Φ,_,· = /0 cosn 01 — s s' où r désigne la distance séparant le centre de la maille me du centre de la maille m2, θι désigne l'angle d'émission par la maille m2 d'un rayon par rapport à la normale à la maille m2, et θ2 désigne l'angle de réception par la maille me de ce rayon par rapport à la normale à la maille me.
Le flux total os> de particules rayonné par la cible 2 vers la surface s' de la maille me étant égal à la somme de toutes les contributions des surfaces s des mailles m2 de la cible sur la surface s', on a l'équation (5) suivante : s
Le processeur 8 évalue donc le flux total Φ3. de particules rayonné par la cible 2 à partir des équations (4) et (5). A cette fin, les angles θι et θ2 et la distance r sont calculées par le processeur 8 de façon connue en soi à partir des coordonnées des centres des mailles m2 et me définies par les modèles maillés S2 et S3. Les dimensions des surfaces s et s' sont prédéfinies et connues de l'étape de maillage surfacique E20.
A partir du flux total <î ainsi évalué, le processeur 8 calcule la masse MdéPôt déposée à l'instant t {Le. après une exposition d'une durée t au rayonnement des cibles) sur la surface s' de la maille me considérée, selon l'équation (6) suivante :
M™
M dépôt — (Î t
Puis il évalue l'épaisseur e(me) de revêtement déposé à l'instant t sur la maille me de surface s' à l'aide de l'équation (7) suivante :
Mdépôt
e(me) =
p s'
Dans le mode de réalisation décrit ici, au cours de l'étape d'estimation E50, le processeur 8 applique en outre à l'épaisseur e(me) un facteur multiplicatif de perte γ reflétant les rayons émis par les cibles 2 qui n'atteignent pas l'aube 3A, y compris en l'absence de masques entravant le passage de ces rayons (ces rayons modélisent les particules de céramiques émises par les cibles qui n'atteignent pas l'aube 3A), Ce facteur y varie en fonction de la distance parcourue par le rayon, et donc de la position de l'aube 3A par rapport à la cible. Il peut être déterminé expérimentalement à partir d'essais réalisés sur des pièces réelles, de façon similaire à l'exposant n.
A l'issue de l'étape E50, l'épaisseur estimée par le processeur 8 pour la maille me de l'aube 3A à l'instant t est donnée par y x e(me). Cette épaisseur reflète l'épaisseur de revêtement de barrière thermique en céramique devant être déposée par les cibles 2 sur la maille me de l'aube 3A à l'instant t.
La figure 6 illustre, pour une coupe donnée d'une aube (ex. coupe à 50%), des valeurs d'épaisseur de revêtement de barrière thermique estimées à l'aide du procédé selon l'invention pour différentes valeurs d'abscisse curviligne. Ces valeurs sont représentées par la courbe Cl. Dans l'exemple représenté, n=3.5 et y = 0.667 (déduits des essais).
A titre comparatif, est représentée également sur cette figure une courbe C2 de valeurs d'épaisseurs obtenues par essais réels. On note que la courbe Cl est très proche de la courbe C2. Les écarts constatés entre ces deux courbes peuvent notamment s'expliquer par un nombre de points considérés pour construire la courbe C2 inférieur au nombre de points estimés à l'aide du procédé selon l'invention pour la courbe Cl. L'outil numérique proposé par l'invention permet en effet d'estimer rapidement et simplement l'épaisseur de revêtement de beaucoup plus de points que lors d'un essai sur une pièce réelle.
L'invention permet ainsi de disposer facilement et rapidement de l'épaisseur de revêtement de barrière thermique en céramique devant être déposée en tout point d'une pièce chaude d'une turbine à gaz telle que l'aube 3A, compte tenu de contraintes techniques prédéterminées. Ces contraintes (ex. forme et cinématique de l'outillage, présence de masques, etc.) peuvent être aisément spécifiées, par exemple par l'intermédiaire d'une IHM venant s'interfacer avec l'outil numérique de l'invention.
De façon similaire, une IHM facilitant la visualisation et l'exploitation des résultats (épaisseur de revêtement de barrière thermique) pourra être développée. Par exemple, cette IHM pourra permettre de visualiser l'évolution de l'épaisseur de revêtement de barrière thermique en différents points de la pièce chaude en fonction du temps, la répartition de cette épaisseur sur différentes coupes de la pièce chaude ou encore la répartition des épaisseurs l'ensemble de la pièce chaude, etc.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'estimation d'une épaisseur d'un revêtement de barrière thermique en céramique devant être déposé par dépôt physique en phase vapeur par au moins une cible (2) sur une pièce chaude (3A) de turbine à gaz montée sur un outillage de support, ce procédé comprenant :
— une étape (E10) de modélisation numérique de la forme géométrique de la pièce chaude et de sa cinématique par rapport à ladite au moins une cible ;
— une étape (E20) de maillage surfacique de la pièce chaude ainsi modélisée ;
— une étape (E10) de modélisation numérique de la forme géométrique de ladite au moins une cible ;
— une étape (E20) de maillage surfacique de ladite au moins une cible ainsi modélisée ; et
— une étape (E50) d'estimation, pour au moins une maille de la pièce chaude exposée au rayonnement de ladite au moins une cible lors du dépôt du revêtement, d'une épaisseur de revêtement devant être déposé sur cette maille à un instant donné, en utilisant un modèle de rayonnement de ladite au moins une cible et en prenant en compte la position de cette maille à cet instant par rapport à ladite au moins une cible, ledit modèle de rayonnement étant défini pour une maille de ladite au moins une cible par :
où :
o Ι(θ) désigne l'intensité d'un rayon émis par la maille de ladite au moins une cible selon une direction faisant un angle Θ par rapport à la normale à cette maille ; et
o n t I0 désignent des constantes prédéterminées.
2. Procédé selon la revendication 1 comportant en outre :
— une étape (E30) de modélisation numérique d'au moins un masque (14,15) apte à empêcher l'exposition d'une zone de la pièce chaude au rayonnement de ladite au moins une cible ; et
— une étape (E30) de maillage surfacique dudit au moins un masque ; et dans lequel les mailles de la pièce chaude considérées au cours de l'étape d'estimation comprennent des mailles non masquées à l'instant donné par rapport à ladite au moins une cible par des mailles dudit au moins un masque lors du dépôt du revêtement.
3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel au moins un masque provient d'un élément de l'outillage de support de la pièce chaude.
4. Procédé selon la revendication 3 comportant en outre :
— une étape (E10) de modélisation numérique de l'outillage de support de la pièce chaude ; et
— une étape (E20) de maillage surfacique de l'outillage de support ainsi modélisé.
5. Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel, au cours de l'étape d'estimation (E50), on prend en outre en compte un facteur de perte correspondant aux rayons émis par ladite au moins une cible lors du dépôt qui n'atteignent pas la pièce chaude.
6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la finesse du maillage surfacique varie entre la pièce chaude (3A), la cible (2), le masque (14, 15), et/ou l'outillage de support.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel au cours de l'étape (E20) de maillage surfacique de la pièce chaude modélisée, on réalise un maillage surfacique non uniforme de cette pièce.
8. Programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.
9. Support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
10. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour l'estimation d'une épaisseur d'un revêtement de barrière thermique en céramique devant être déposé par dépôt physique en phase vapeur par au moins une cible sur une aube mobile de turbine à gaz.
11. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour l'estimation d'une épaisseur d'un revêtement de barrière thermique en céramique devant être déposé par dépôt physique en phase vapeur par au moins une cible sur une aube fixe de turbine à gaz.
12. Dispositif (7) d'estimation d'une épaisseur d'un revêtement de barrière thermique en céramique devant être déposé par dépôt physique en phase vapeur par au moins une cible (2) sur une pièce chaude (3A) de turbine à gaz montée sur un outillage de support, ce dispositif comprenant :
— des moyens de modélisation numérique de la forme géométrique de la pièce chaude et de sa cinématique par rapport à ladite au moins une cible ;
— des moyens de maillage surfacique de la pièce chaude ainsi modélisée ;
— des moyens de modélisation numérique de la forme géométrique de ladite au moins une cible ;
— des moyens de maillage surfacique de ladite au moins une cible ainsi modélisée ; et
— des moyens d'estimation, pour au moins une maille de la pièce chaude exposée au rayonnement de ladite au moins une cible lors du dépôt du revêtement, d'une épaisseur de revêtement devant être déposé sur cette maille à un instant donné, ces moyens étant aptes à utiliser un modèle de rayonnement de ladite au moins une cible et à prendre en compte la position de cette maille à cet instant par rapport à ladite au moins une cible, ledit modèle de rayonnement étant défini pour une maille de ladite au moins une cible par :
1 (9) = l [cos(e))n o 1(θ) désigne l'intensité d'un rayon émis par la maille de ladite au moins une cible selon une direction faisant un angle Θ par rapport à la normale à cette maille ; et
o n et lo désignent des constantes prédéterminées.
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